Hirnstimulation und Sehtest

Zielsetzung

Ein einflussreiches Modell der kortikalen Organisation schlägt vor, dass das visuelle System von Primaten in zwei funktionell unterschiedliche Bahnen unterteilt ist (Ungerleider & Mishkin, 1982). Der ventrale oder was-visuelle Weg, der vom okzipitalen Kortex in den ventralen temporalen Kortex ragt, wird hauptsächlich zur Objekterkennung und -identifikation verwendet. Die dorsale oder wo-Bahn, die vom okzipitalen Kortex in den parietalen Kortex ragt, wird hauptsächlich zur Lokalisierung der Position von Objekten im Gesichtsfeld und zur Aktionsplanung verwendet. In der vorgeschlagenen Versuchsreihe werden wir untersuchen, wie neuronale Repräsentationen in den ventralen und dorsalen Bahnen zu einer Reihe von kognitiven Aufgaben beitragen, darunter Objekt- und Szenenerkennung, Aufmerksamkeitsauswahl und Gesichtsverarbeitung. Diese Experimente werden hauptsächlich transkranielle Magnetstimulation (TMS) oder transkranielle Elektrostimulation (tES) in Kombination mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) verwenden.

TMS und tES bieten einzigartige experimentelle Werkzeuge für Studien der menschlichen kognitiven Funktion, da sie verwendet werden können, um die neuronale Verarbeitung in einer bestimmten kortikalen Region vorübergehend und sicher zu stören oder zu verbessern, während die Probanden gleichzeitig Verhaltensaufgaben ausführen, die von den Operationen dieser Region abhängen. Darüber hinaus können TMS und tES mit Neuroimaging-Techniken wie fMRI kombiniert werden, um die Fernwirkungen der induzierten neuronalen Störung in anderen aufgabenabhängigen Regionen zu untersuchen, die über den Kortex verteilt sind. Wir planen, TMS und tES zu verwenden, um offene Fragen zur Funktionsweise der verteilten neuronalen Netze für verschiedene Kategorien der Objekterkennung und im Aufmerksamkeitsnetzwerk des menschlichen Gehirns zu beantworten.

Studienpopulation

Wir planen, 665 neurologisch normale Probanden im Alter zwischen 18 und 50 Jahren zu testen. Die Probanden werden auch vor allen nachfolgenden TMS- oder tES-Experimenten an einem fMRI-Experiment teilnehmen, um die interessierenden Stimulationsstellen zu lokalisieren.

Design

Das Ziel der vorgeschlagenen Versuchsreihe ist es, die Auswirkungen der TMS- und tES-induzierten neuronalen Störung oder Verbesserung auf die Verhaltensaufgabenleistung und die neuronalen Korrelate der beeinträchtigten Leistung, gemessen mit fMRI, zu untersuchen. Allgemein können diese Experimente in Studien unterteilt werden, die Online- und Offline-TMS oder tES verwenden. In Online-Experimenten werden TMS oder tES während Verhaltensaufgaben angewendet. In Offline-Experimenten wird die Theta-Burst-Stimulation (TBS) oder tES vor der experimentellen Aufgabe geliefert, und Offline-Experimente können TBS oder tES mit fMRI kombinieren.

1. TMS- oder tES-Zielortlokalisierung

   Vor den Online- und Offline-Studien nehmen die Probanden an einem fMRI-Experiment teil, das darauf ausgelegt ist, bestimmte interessierende kortikale Regionen (ROIs) zu lokalisieren. Das fMRI-Experiment erfordert, dass das Subjekt entweder eine Reihe verschiedener Objektkategorien (z. Gesichter, Körper, Szenen) oder flimmernde Ausschnitte aus schwarzen und weißen Schachbrettern im fMRT-Scanner. Die Ergebnisse dieser fMRI-Experimente werden verwendet, um Kortexregionen zu identifizieren, die dann mit TMS oder tES angegriffen werden. Wir werden TMS- und tES-Zielstellen mit der stereotaktischen Brainsight-Koregistrierungssoftware identifizieren, und die Kopfhautposition wird bei jedem Probanden individuell markiert.

2. Online-Verhaltens-TMS-Experimente

   Online-TMS-Experimente sind darauf ausgelegt, die direkten Auswirkungen der induzierten neuronalen Störung nur auf die TMS-Zielstelle zu untersuchen. TMS wird während jedes Versuchs geliefert, um die Auswirkungen auf die gleichzeitige Aufgabenleistung zu bewerten. Die Probanden führen eine Reihe von visuellen Verhaltensaufgaben durch, während Online-TMS über die interessierende kortikale Region oder über Kontrollstellen (z. Scheitel). Wiederholtes TMS wird mit einer Frequenz von 10 Hz für 500 ms geliefert. In einigen Experimenten werden wir alternativ Doppelpuls-TMS mit unterschiedlichen Latenzen nach dem Beginn des Stimulus liefern, um zu beurteilen, wann die Zielregion wahrscheinlich an der Aufgabenleistung beteiligt ist.

3. Offline-TBS-Experimente

   Offline-Thetaburst-Experimente (TBS) sind auch darauf ausgelegt, die Auswirkungen der induzierten Störung in der stimulierten Region zu bewerten. Anstatt jedoch während jeder experimentellen Studie TMS abzugeben, wird Thetaburst TMS (TBS) über die Zielregion von Interesse (ROI) für Latenzen von bis zu 60 Sekunden abgegeben, bevor der Proband eine Verhaltensaufgabe ausführt. Die neuralen Effekte dieser induzierten Störung halten dann nachweislich bis zu 30 Minuten an (Huang et al., 2005). In den Offline-TBS-Experimenten schlagen wir vor, 60 Sekunden TBS über den stimulierten ROI zu liefern. In einigen der vorgeschlagenen Experimente werden die Teilnehmer dann vor und nach der TBS-Stimulation in einen fMRT-Scanner gelegt. Während beider fMRI-Sitzungen werden die Probanden eine Reihe von visuellen Unterscheidungsaufgaben durchführen, um die Auswirkungen der TBS-Unterbrechung sowohl auf ihr Verhalten als auch auf die Aktivität in entfernten kortikalen Bereichen, gemessen mit BOLD-Aktivierung, zu bewerten.

4. Online- und Offline-tES-Experimente

Die Auswirkungen von tES auf das Verhalten können innerhalb derselben Sitzung und unter Verwendung desselben Protokolls gleichzeitig sowohl online als auch offline aufgezeichnet werden. Online tES untersucht die direkte Wirkung der neuralen Stimulation, während ein Teilnehmer eine Aufgabe ausführt (Tyler et al., 2018). Im Gegensatz zu TMS ist Online-tES möglich, da die subkutanen Stimulationseffekte gering oder unbemerkt sind, keine auditiven Auswirkungen haben und keine Beteiligung des Experimentators erfordern. Sobald die Oberflächenelektroden angebracht sind, kann der Teilnehmer selbstständig handeln. Offline-tES untersucht den zeitlichen Verlauf der Verhaltenswirkung nach der Stimulation. Die Offline-Effekte von tES halten bis zu 60 Minuten nach der Stimulation an (Terney et al., 2008; Herpich et al., 2019). Wir können entweder Gleich- oder Wechselstrom-tES für maximal 20 Minuten bei einer Intensität unter 4 mA liefern (Antal et al., 2017; Rossi & Antal, 2020).

Zielparameter

Die abhängigen Variablen in den Online-Verhaltens-TMS- oder tES-Experimenten sind Leistungsgenauigkeit, Empfindlichkeit (d) und Reaktionszeit (RT), die während der gleichzeitig durchgeführten Verhaltensaufgaben erfasst werden. Abhängige Variablen in den Offline-fMRI-TBS- oder fMRI-tES-Experimenten sind die Aufgabenleistung sowie die verringerte neuronale Aktivität, gemessen an der verringerten BOLD-Aktivierung in den Ziel- und Remote-ROIs.